Docstoc

Evaluating The Accuracy Of a Nondestructive Thermocouple Attach

Document Sample
Evaluating The Accuracy Of a Nondestructive Thermocouple Attach Powered By Docstoc
					EVALUATING THE ACCURACY OF A NON­
DESTRUCTIVE THERMOCOUPLE ATTACH 
METHOD FOR AREA­ARRAY PACKAGE 
PROFILING 
Tim Grove and Dr. S. Manian Ramkumar 
Center for Electronics Manufacturing and Assembly 
Rochester Institute of Technology 
Rochester, NY 
 
Brian O’ Leary 
KIC  
San Diego 


 Introduction 
    The  oven  recipe,  which  consists  of  the  reflow  oven  zone  temperature  settings  and  the 
speed  of  the  conveyor,  will  determine  a  specific  time‐temperature  profile  for  a  given  PCB 
assembly. In order to achieve a good quality PCB assembly, the time‐temperature profile should 
be  within  the  product  and  process  specifications.  This  is  determined  by  the  solder  paste, 
components and substrate tolerances. As a result, the accuracy of the profile becomes a critical 
element in the quality of the electronics assembly. The methods by which thermocouples (TCs) 
are  attached  to  the  PCB  assembly,  to  record  the  profile  as  the  PCB  travels  through  the  oven, 
significantly impact the measuring accuracy of the profile.  
   Many  electronics  assemblers  do  not  have  the  luxury  of  sacrificing  production  PCBs  and 
BGAs  for  the  purpose  of  measuring  their  profiles.  Yet  they  need  to  make  sure  that  these 
assemblies are processed in spec. 
     Area‐array  packages  have  solder  balls  hidden  under  the  package,  making  it  particularly 
difficult to achieve the correct thermal profile. Improper melting of solder balls will lead to poor 
solder  joint  formation  and  will  damage  the  BGAs  or  the  entire  assembly.  These  components 
also tend to be expensive and, hence, represent a particular challenge for assemblers. 
   The  goal  of  this  study  was  to  identify  a  non‐destructive  method  for  TC  attachment  that  
provides a small offset to the “actual temperature under a BGA.” 
     


                                                                                                          1
Project Metric  
    The “gold standard” of TC attachment for a BGA is to place the TC accurately on top of a 
single  pad  and  then  to  solder  the  BGA  on  top,  without  using  any  additional  solder  material 
beyond  what  exists  on  the  pads  and  BGA  balls.  Preliminary  research  found  that  using  a 
flattened bead TC and a BGA rework station allowed for an accurate and reliable location of the 
TC  on  a  single  pad/ball.  This  study  used  a  flattened  bead  TC  soldered  under  the  BGA  as  the 
reference TC. 
    Furthermore,  previous  research  reveals  that  aluminum  tape  provides  both  accurate  and 
repeatable  TC  readings  while  complying  with  the  criteria  as  a  non‐destructive  attachment 
method.  The  repeatability  includes  measurements  when  the  TCs  are  reattached  numerous 
times. Other TC attachment methods, such as high‐temperature solder or adhesives, risk small 
variations in the amount of material applied when needing to reattach a TC, resulting in skewed 
temperature readings. A second benefit with the aluminum tape is that it is already widely used 
in the electronics assembly industry.  
    The  project  metric  included  the  difference  in  temperature  between  the  temperature 
recorded  by  the  TC  attached  using  aluminum  tape  at  two  locations  with  respect  to  the  BGA 
(Figures 1a and 1b), and the flat TC that measured the temperature under the BGA (Figure 2). A 
small delta T indicates that the particular method and location tracks very closely with the flat 
TC soldered under the BGA.  


Results and Discussions 
   The different experiment phases were carried out using a forced convection oven with six 
heating  zones  and  one  uncontrolled  cooling  zone.  The  measurements  from  the  cooling  zone 
were  truncated  for  the  analysis  to  avoid  misinterpretation  of  data.  The  oven  recipe  that  was 
used for the different experiments is shown in the table. 
       Zone 1           Zone 2           Zone 3           Zone 4           Zone 5           Zone 6 

        80°C             105°C            143°C            183°C            223°C           253°C 

      Belt Speed 
      (cm/min) 

         29 

                                  Table. Oven recipe used in the study 




                                                                                                         2
                           Figure 1a. TC attachment on top of the BGA 




                                                                    

  Figure 1b. TC attachment on the bottom of the PCB directly underneath the BGA location 




                                                                        

                Figure 2. Flattened TC bead located directly underneath the BGA 


TC Attachment Using Aluminum Tape  
   16  total  profile  runs  were  conducted  by  using  four  combinations  of  BGA  and  PCB  sizes, 
assembling  two  BGAs  per  PCB,  and  running  two  replications  for  each  run  combination.  The 
substrate was a two‐layer FR4 PCB, 0.8 mm thick and 1.6 mm thick. Both PCB sizes were same 
(203.2 x 139.6 mm) except for the thickness variation. The two BGA components used included 
BGA 160 (15 x 15 mm – 1 mm pitch) and BGA 1156 (35 x 35 mm – 1 mm pitch). 
   A  flattened  TC  was  soldered  under  the  BGA  to  measure  the  true  temperature  under  the 
BGA. Care was taken to place the flattened TC bead directly on a BGA pad, and with the use of a 
rework station, the BGA was soldered onto the pads. The bead was sandwiched between the 
pad and the solder ball without touching any of the other BGA solder balls/pads. Two additional 


                                                                                                     3
TCs were attached to measure the BGA temperature by use of aluminum tape in the following 
locations: 
                          The top face of the BGA 

                          The underside of the FR4 PCB, below the BGA 


Temperature Differences Between the Reference TC and the Non­
Destructive TC Attachment Methods 
    The  analysis  was  carried  out  using  the  temperature  difference  between  the  TCs  attached 
with aluminum tape and the flat TC soldered under the BGA. The temperature difference was 
measured for the most critical part of the profile, the reflow zone, within the reflow oven. The 
method used to calculate the temperature difference was to take every data point generated 
by the KIC Explorer profiler and to subtract the reference TC data from the relevant location TC 
data. Figures 3, 4, 5, 6 and 7 summarize the temperature differences with various BGA sizes and 
PCB thicknesses.  

                                                                    Reflow Zone
                                                               Small BGA ‐ 31 mil PCB
                           250


                           245


                           240
    Temperature (Deg. C)




                                                                                                   Reference

                           235
                                                                                      PCB Bottom               Top of BGA

                           230


                           225


                           220


                           215
                                 315                     335                      355                    375
                                                                         Time (Sec)
                                                                                                                             

                                       Figure 3. Profile overlay for reference TC, small BGA and 31 mil PCB 




                                                                                                                            4
                                                                 Reflow Zone
                                                            Small BGA ‐ 62 mil PCB
                       245


                       240


                       235
Temperature (Deg. C)




                                                                                                     Reference
                       230
                                                                                                                       Top of BGA
                                                                              PCB Bottom
                       225


                       220


                       215


                       210
                             320          330         340           350                360         370           380           390
                                                                          Time (Sec)
                                                                                                                                      
                                   Figure 4. Profile overlay for reference TC, small BGA and 62 mil PCB 

                                                                 Reflow Zone
                                                            Large BGA ‐ 31 mil PCB
                       240

                       235

                       230
                                                                                                         Reference
Temperature (Deg. C)




                       225
                                                                                                                        Top of BGA
                       220
                                                                                   PCB Bottom
                       215

                       210

                       205

                       200

                       195
                             330         340       350        360            370             380     390          400          410
                                                                          Time (Sec)
                                                                                                                                      
                                   Figure 5. Profile overlay for reference TC, large BGA and 31 mil PCB 


                                                                                                                                         5
                                                               Reflow Zone
                                                          Large BGA ‐ 62 mil PCB
                           228

                           226
                                                                                            Reference
                           224
                                                                                                              Top of BGA
    Temperature (Deg. C)




                           222

                           220
                                                                         PCB Bottom
                           218

                           216

                           214

                           212

                           210
                                 340         350         360           370            380               390         400
                                                                    Time (Sec)
                                                                                                                            
                                  Figure 6. Profile overlay for reference TC, large BGA and 62 mil PCB 

 




                                                                                                                                

                                 Figure 7. Temperature offset for 2 PCB sizes and two PCB thicknesses 


                                                                                                                                   6
    Combining  all  data  from  this  experiment  and  past  experiments  with  the  various  BGA  and 
PCB sizes, a generic empirical relationship (Equation) and graphs (Figure 8 and 9) were created 
for assembling plastic BGA packages on FR4 PCBs with TC attach on the top of the BGA and PCB 
bottom,  using  aluminum  tape.  Based  on  the  experimental  data,  the  derived  empirical 
relationship provided a closer fit for TC attachment on the top of the BGA when compared to 
the TC attachment on the PCB bottom below the BGA.  
    Figures 8 and 9 show the predicted temperature difference for TC attach on the top of the 
BGA, for a given PCB/BGA combination, using the empirical relationship derived from the PCB 
and BGA parameters. Figure 8 is for all zones combined and Figure 9 is for the reflow zone only. 
In order to use the graph in Figure 8 or Figure 9, an Assembly Index (AI) needs to be calculated 
by making use of the PCB and BGA parameters as shown below. Additional confirmation runs 
need to be carried out to validate this graph. 
                            
                                     PT  PW  PA CP
                               AI 
                                    IOC  CA CW  CT                        

 Equation. Formula to calculate temperature offset from reference TC to non‐destructive TC 
                                       attachment 

   Where ……. 
      AI is the Assembly Index 

      PT is PCB Thickness (mm) 

      PW is PCB Weight (grams) 

      PA is Full PCB Area (sq mm) 

      CP is Component Pitch 

      IOC is I/O Count 

      CA is Component Area (sq mm) 

      CW is Component Weight 

      CT is Component Thickness including solder balls 

                                                    




                                                                                                     7
                                     20

                                     18
                                                         Temperature Difference  (delta  T) = 
                                     16       TC  attached on the Top of the BGA (using Aluminum Tape)
                                                          ‐ a flat TC  soldered under the BGA                                                                    All Zones
                                     14
   Temperature Difference (Deg. C)




                                     12

                                     10

                                     8

                                     6

                                     4

                                     2

                                     0
                                          0      50                                                100        150           200               250            300               350
                                                                          Assembly Index (Based on the PCB ‐ BGA Combination)
                                                                                                                                                                                      
                                                                                         2.5


                                                                                                                               Temperature Difference  (delta  T) = 
                                                                                                                    TC  attached on the Top of the BGA (using Aluminum Tape)
                                                                                          2                                     ‐ a flat TC  soldered under the BGA
                                                       Temperature Difference (Deg. C)




                                                                                         1.5


                                                                                                                                                                   All Zones

                                                                                          1




                                                                                         0.5




                                                                                          0
                                                                                               0         10   20     30        40        50         60      70         80      90        100
                                                                                                              Assembly Index (Based on the PCB ‐ BGA Combination)
                                                                                                                                                                                                

Figure 8. Graph for temperature offsets All Zones combined based on the AI formula 




                                                                                                                                                                                           8
                                     25



                                                         Temperature Difference  (delta  T) = 
                                     20       TC  attached on the Top of the BGA (using Aluminum Tape)
                                                          ‐ a flat TC  soldered under the BGA
                                                                                                                                                              Reflow Zone
   Temperature Difference (Deg. C)




                                     15




                                     10




                                     5




                                     0
                                          0      50                                                 100        150           200               250            300               350
                                                                           Assembly Index (Based on the PCB ‐ BGA Combination)
                                                                                                                                                                                       
                                                                                           3


                                                                                                                                Temperature Difference  (delta  T) = 
                                                                                          2.5                        TC  attached on the Top of the BGA (using Aluminum Tape)
                                                                                                                                 ‐ a flat TC  soldered under the BGA
                                                        Temperature Difference (Deg. C)




                                                                                           2



                                                                                          1.5
                                                                                                                                                                  Reflow Zone


                                                                                           1



                                                                                          0.5



                                                                                           0
                                                                                                0         10   20     30        40        50         60      70        80       90        100
                                                                                                               Assembly Index (Based on the PCB ‐ BGA Combination)
                                                                                                                                                                                                 

Figure 9. Graph for temperature offsets for Reflow Zone only based on the AI formula 




                                                                                                                                                                                            9
Conclusion 
    Using  aluminum  tape  to  attach  a  TC  directly  onto  the  top  of  the  BGA  provides  a  good 
approximation  of  the  temperature  readings  under  a  BGA.  Furthermore,  this  offset  can  be 
calculated with a reasonable level of confidence by using a formula developed in this research 
and displayed in this article. For a relatively small BGA and thin PCB, that offset is less than 2 C. 
Thicker  boards  and  larger  BGAs  produce  larger  offsets,  which  can  be  approximated  by  the 
referenced formula and associated graph. 




                                                                                                    10

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:3
posted:7/10/2011
language:English
pages:10